关键词：生物质颗粒燃料；专用炊事取暖炉；设计；使用
1、研究背景
在我国，农作物秸秆年产约7亿t，除部分作为造纸原料和饲料、肥料之外，大约有3亿t可作为燃料使用，折合1.5亿t标准煤；林木枝桠和林业废弃物年可获得量约9亿t，约有3亿t可作为能源利用，折合2亿t标准煤。党和政府对生物质能开发利用的高度重视，给户用生物质炉具的发展带来了机遇。我国户用生物质炉具是个朝阳产业，尤其是户用高效低排放生物质炉具，在温室气体减排、改善室内空气质量和社会主义新农村建没中将发挥重要作用。
2、研究成果
山西省长治市农机研究所积极响应国家关于“秸秆综合利用”政策，根据市场需求，研制开发了生物质颗粒燃料炊事取暖（智能）两用炉-11SKCQ型生物质颗粒燃料炊事取暖炉。经过大量的调查研究、反复试制试验，样机于2010年3月试制成功。从近S年的使用来看，该炉具基本达到没计要求。富通新能源生产的木屑颗粒机、秸秆颗粒机压制的生物质颗粒燃料如下所示：
3、研究的主要内容
3.1设计要求
为了达到户用高效低排放生物质炉具的使用性能，对炊事取暖两用炉没计要求如下：①环保、卫生无污染、无废水、无焦油，利于健康；②采用先进的生物质颗粒燃烧方式，多层给氧，充分燃烧，达到节能减排的目的；③设计多炉膛，合理利用余热，提高热效率，可同时做饭炒菜、煲汤、烧水、淋浴、取暖、烘烤等；④火力可调，有电源过载保护，有启停按钮及显示；⑤性能稳定、操作简便、安全可靠、造价低廉；⑥使用生物质颗粒燃料，备有燃料箱，具有自动上料、自动点火、自动温控等功能，智能化程度高，实现傻瓜式操作。
3.2结构组成
11SKCQ型生物质颗粒燃料炊事取暖炉主要由螺旋上料器、机架、燃烧室风机、排烟引风机、电控柜、燃烧室、灰室、燃烧风道、二次风道、主火灶、烤箱、炉具水套等组成。整机结构见图l。
3.3主要技术参数
外形尺寸 1200 mm 500 mm 700 mm
整机质量250 kg
取暖额定功率15 kW
参考取暖面积130m2
3.4工艺路线
使用户用生物质炊事取暖炉时，把生物质颗粒燃料直接放入炉中点燃。该炉型是在直燃和气化燃烧共同作用的基础上开发的，即在燃烧过程中既有明火燃烧，又有气化成分，没有焦油析出，最显著的特点是燃烧充分，不冒黑烟，热效率较高，烟气污染排放较低，有利于改善室内空气质量和农民的身体健康。
4、主要部件设计
炉具的研发目前要求具有高效低碳低排放的性能。
生物质燃料在炉膛里燃烧，并进行合理配风，伴有气化成分。该炉具二次风作用非常明显，一是补氧，二是进一步加强烟气的扰动，使燃烧更加充分。
高效低排放户用生物质炉具指标：炊事炉、炊事采暖炉、采暖炉的热效率分别大于35%、60%、65%，烟尘排放浓度小于50 mg/m;3，二氧化硫排放浓度小于30mg/m3，NOx排放浓度小于150 mg/m3，一氧化碳排放浓度小于0.2%。
4.1燃烧室的设计
要解决燃烧、传热与炊具配套的问题，首先要解决好炉子燃烧问题。好的炉子燃烧效率要求达到70%以上。燃料燃烧得越充分，污染物排放就越低。应从燃烧方式、炉膛材质的选择、进风量的合理匹配等方面进行优化。为此，研究人员优化没计了炉膛内芯，利用碳化硅做为炉芯材料，达到了节能的效果。炉膛内壁设计有切线式花纹，可以实现多层供氧。炉芯具有优异的导热性、高热震稳定性、高温强度大、抗氧化性能高、很好的耐磨性能等特点。采用该炉芯后，实现了“沸腾+涡流式气化直燃”的燃烧方式，底风可以从底部开始供氧，炉底可以以沸腾的方式燃烧，并且氧气还顺着切线花纹涡流配风，实现了多层给氧，燃烧更充分，达到节能减排的目的。
另外，在炉膛上方还没计了一个环形挡火板，避免火焰过早地从出烟口排出，保存热量。
通过料箱可自动向炉膛内均匀投放燃料，火焰在炉膛上方收拢汇聚后，在炉口位置增没二次风道，与二次配风充分的混合，使燃烧更加彻底充分，提高出火口的温度，气化直燃不产生焦油、废水等各种废弃物排放，不会对环境造成二次污染，还可以降低有害气体的排放，节能环保；采用高温直接燃烧技术，焦油等以气态的形式直接燃烧，解决了生物质气化焦油含量高的技术难题，避免了焦油带来的二次污染。
4.2多回程、多炉膛设计
多回程、多炉膛没计，增加受热面，合理利用余热，提高热效率，除炊事功能外，还可以取暖，有烤箱，有余火利用灶。为了合理布置和充分利用炊具的受热面，降低排烟温度，延长可燃气在炉膛上部与锅接触的时间，研究人员从2个方面进行了没计：一是没计了引风机，通过微负压来引导火焰方向，最大限度地加大锅底的受热面；二是没计了炉具取暖水套、烤箱，充分利用余热，解决了炊事采暖同步进行的问题。
4.3自动智能化控制系统
为了操作方便，实现自动点火、自动上料，没计了遥控、触摸两用的控制面板，将单片机技术、弱电控制技术与两用炉炊事、取暖功能很好地结合在一起，可以让使用者从手工填料又脏又累的劳动中解脱出来，达到省时、省力、干净、卫生的效果。通过控制面板还可以控制火力的大小。控制系统由单片机、遥控器、红外接收器、触摸显示屏、上料器、燃烧风机、引风机、电子点火器等组成。工作过程是：①联接220 V市电，将炉具总电源开关按下，此时电源指示灯亮，说明电源已经接通。按下控制面板点火开关( ONIOFF)，控制面板上的ON/OFF指示灯闪亮，手动指示灯亮。之后清灰10s，在10 s后让风机停止转动，开始自动下料，l挡指示灯亮，手动上料灯亮，并持续下料2 min。②2mm后，手动上料灯灭，停止下料。此时电加热棒接通电源，通过负压热空气的持续加热，4 min后将点火孔附近的颗粒燃料点燃。③5 min后下料电机会在1挡位置间歇下料，l挡指示灯会闪亮。火力大小可通过调节上料器的高、中、低3个挡位（对应显示灯的颜色分别为绿、黄、红）实现大小火力的控制。④关机时只需按下开关键( ONIOFF)即可，此时所有指示灯全部熄灭，但燃烧排烟风机与燃烧风机会继续工作，直到将燃烧室内的燃料全部烧尽并将余热散尽，保护电气电路不会被损坏，关机时间大约10 min。
自动点火是通过数字化控制燃烧室底部电加热棒的启动与关闭，实现一键点火，点火时间短(6min以内)，再通过控制上料器与风机的关闭实现一键封火，傻瓜式操作，方便快捷。
自动加料是由微电脑数字变频控制螺旋加料器的启动与关闭，实现了数字化控制加料量，通过人工预先没置，实现大小火力可调，只需一次性将储料仓加满，可以1~3天不需要加燃料，最大程度地减少了劳动强度，使炉灶使用更具人性化、智能化。
自动清灰是根据生物质燃料灰分小的特点，通过给炉膛底部配风的风量实现清灰，配底风即可助燃，又可清灰。风力除灰，操作简单，智能化程度高，工作量小。
4.4安全阀的设计
安全阀是炉灶没备中重要的附件之一，它能自动地将炉灶工作压力控制在预定的允许范围之内。我国户用燃烧炉大部分都分布在城郊及广大农村，在夜间取暖时间较长，在高寒时期可能出现严重的冻炉现象，使进出水管全部被冻死，一经点炉就可能出现炉内增压现象发生，从而发生意外事故。为防止事故发生，在炉顶部安装安全阀，起到安全作用。该燃烧炉中没置的安全阀可在点炉后第一时间排出炉芯压力，是目前市场上最安全的户用燃炉之一。当炉内压力过高时，阀门自动打开，确保炉体安全。两用炉的炉内压力不大于2.5 MPa，采用弹簧式安全阀。
5、经济效益与社会效益
高效低排放户用生物质炉具适用范围广泛，适用于家庭、酒店、餐厅等场所，可同时炒菜、做饭、洗浴、取暖，还可用于大棚蔬菜升温等。
经过热值换算，1.4 t秸秆燃料相当于1t煤的热能。以四口之家为例，每天3顿饭约需秸秆燃料3～5 kg，每年约需1080～1800 kg。
取暖每天约需再增加10~15kg，以4个月取暖期计算，约需1200~ 1800 kg。每户全年约需秸秆燃料2.28～3.6 t，按360元，t计算，合820～1296元。
单户若使用原煤做燃料，全年约需4.5 t，单价以700元／t计算，煤费为3 150元。单户若用电炊事（3 kWh/天）、取暖(20 kWh/天)，以4个月取暖期计算，全年约需3 480 kWh，单价以0.5元/kWh计算，电费为1740元。
由此可见，与用原煤相比，用秸秆颗粒可节约成本1854~2 330元。与用电相比，用秸秆颗粒可节约成本444~ 920元。
6、总结
11SKCQ型生物质颗粒燃料炊事取暖炉的开发和利用，为秸秆转化提供了有效途径。生物质能源的综合利用，可减轻直接燃烧作物秸秆造成的环境污染，具有显著的经济效益和环保效益。同时，有利于增加农民收入，改善和美化农村环境。
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